PWM技術(shù)培訓(xùn)課件

PWM技術(shù)培訓(xùn)

謝美娟1精選2021版課件PWM控制原理理論基礎(chǔ)沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同沖量指窄脈沖的面積效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異等幅和不等幅PWM波由直流電源產(chǎn)生的PWM波通常是等幅PWM波，如直流斬波電路和本節(jié)的PWM逆變電路。輸入電源是交流，得到不等幅PWM基于面積等效原則，其本質(zhì)是相同的。2精選2021版課件舉例說明用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波正弦半波N

等分，可看成N個彼此相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點(diǎn)重合，面積（沖量）相等寬度按正弦規(guī)律變化由于各脈沖的幅值相等，所以逆變器可由恒定的直流電源供電。要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可理論上，這一系列脈沖寬度可以嚴(yán)格計算出來，但較為實(shí)用的是調(diào)制方法。3精選2021版課件PWM調(diào)制基本概念基本概念PWM調(diào)制

脈寬調(diào)制是利用相當(dāng)于基波分量的信號波對三角波進(jìn)行調(diào)制，達(dá)到輸出脈沖寬度的一種方法。相當(dāng)于基波分量的信號波并不一定正弦波，在PWM優(yōu)化模式控制下可以是預(yù)畸變的信號波。載波比

在一個調(diào)制信號周期內(nèi)所包含的三角載波的個數(shù)稱為載波頻率比。調(diào)制度m

調(diào)制波參考信號峰值與三角載波峰值之比。直流電壓利用率逆變電路輸出交流電壓基波最大幅值U1m和直流電壓Ud值之比。4精選2021版課件PWM調(diào)制的制約條件開關(guān)頻率逆變器各功率器件的開關(guān)損耗限制了脈寬調(diào)制逆變器的每秒脈沖數(shù)（即逆變器每個開關(guān)的每秒動作次數(shù)）。調(diào)制度

為保證主電路開關(guān)器件的安全工作，必須使所調(diào)制的脈沖波有最小脈寬和最小間隙的限制，以保證脈沖寬度大于開關(guān)器件的導(dǎo)通時間與關(guān)斷時間，這就要求參考信號的幅值不能超過三角載波峰值的某一百分?jǐn)?shù)。

5精選2021版課件PWM調(diào)制分類根據(jù)調(diào)制脈沖的極性可分為：單極性和雙極性調(diào)制根據(jù)載波信號和基波信號的頻率之間的關(guān)系，可分為同步調(diào)制和異步調(diào)制根據(jù)基波信號的不同，可以分為矩形波脈寬調(diào)值和正弦波脈寬調(diào)制。6精選2021版課件單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制單極性調(diào)制在調(diào)制波的半個周期內(nèi)三角載波只在一個方向變化，所得到輸出電壓的PWM波形也在一個方向變化的控制方式稱為單極性PWM控制方式。雙極性調(diào)制在調(diào)制波的半個周期內(nèi)三角載波正負(fù)方向變化，所得到輸出電壓的PWM波形也在正負(fù)方向變化的控制方式稱為雙極性PWM控制方式。7精選2021版課件同步調(diào)制和異步調(diào)制

根據(jù)載波比的變化與否可以分為同步調(diào)制和異步調(diào)制同步調(diào)制定義在改變信號周期的同時成比例地改變載波周期，使載波頻率與信號頻率的比值保持不變。調(diào)制特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)在開關(guān)頻率較低時可以保證輸出波形的對稱性。缺點(diǎn)（1）在信號頻率較低時，載波的頻率顯得稀疏，電流波形脈動大，諧波分量增大（2）載波的邊頻帶（載波與基波的差頻）靠近信號波，容易干擾基波頻域。（3）載波周期隨信號波周期變化，不易于用單片機(jī)類數(shù)字化實(shí)現(xiàn)8精選2021版課件異步調(diào)制定義在調(diào)制信號周期變化的同時，載波周期保持不變。調(diào)制特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1）由于是異步，低頻輸出時，在一個信號周期內(nèi)，載波個數(shù)成數(shù)量級增多，這對抑制諧波電流，減輕電動機(jī)的諧波損耗及轉(zhuǎn)矩脈動大有好處。（2）低頻時，載波頻率比很大，載波的邊頻帶遠(yuǎn)離信號波頻率，因此不存在載波邊頻帶與基波之間的相互干擾問題。（3）載波頻率固定，便于微處理機(jī)進(jìn)行數(shù)字化處理。缺點(diǎn)：載波頻率較低，將會出現(xiàn)輸出電流波形正負(fù)半周不對稱，相位漂移及偶次諧波等問題。不過，在IGBT等高速功率開關(guān)器件，載波頻率可以做得很高，這缺點(diǎn)可以小到可以完全忽略。分段同步調(diào)制在一定的頻率范圍之內(nèi)，采用同步調(diào)制，保持輸出波形對稱的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)頻率降低較多時，使載波比分段有級的增加，又采納了異步調(diào)制的長處。9精選2021版課件數(shù)字脈寬調(diào)制（PWM）方法實(shí)現(xiàn)方法三角載波是為了形象說明調(diào)制原理而借用或用模擬電路產(chǎn)生PWM時必須采用的波形，在用數(shù)字化實(shí)現(xiàn)時，三角載波實(shí)際上是不存在的，完全由軟件來代替了，這樣既可以減少硬件投資又可以提高系統(tǒng)可靠性。不同調(diào)制波生成的PWM脈寬對于變頻效果，比如輸出基波電壓幅值，基波轉(zhuǎn)矩，脈動轉(zhuǎn)矩，諧波電流損耗，功率半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)損耗等的影響差異很大。

10精選2021版課件SPWM軟件生成方法自然采樣法定義

按照正弦波與三角波的交點(diǎn)進(jìn)行脈沖寬度與間隙時間的采樣，從而生成SPWM波形。特點(diǎn)在自然采樣法中，每個脈沖的中點(diǎn)并不和三角載波中點(diǎn)重合雖然真實(shí)地反映了脈沖產(chǎn)生與結(jié)束的時刻，但由于實(shí)時計算困難，計算量大，難以用于實(shí)時控制中。規(guī)則采樣法定義每個脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的三角載波的中點(diǎn)為對稱，使調(diào)制計算量大為簡化。

(a)自然采樣法11精選2021版課件對稱規(guī)則采樣

生成的脈寬比實(shí)際的正弦波與載波所生成的脈寬要小，輸出電壓也會相應(yīng)的偏低。不對稱規(guī)則采樣一個載波周期電采樣兩次正弦波數(shù)值，該采樣值更真實(shí)地反映了實(shí)際的正弦波數(shù)值，顯然其輸出電壓高于前者，但是載波頻率較高時，單片機(jī)運(yùn)算速度存在難題。平均對稱規(guī)則采樣采樣時刻設(shè)在三角載波的谷點(diǎn)處。以此刻的正弦波數(shù)值為中心．引一水平線與兩側(cè)的三角載波相交，確定PWM脈沖的前后沿，雖然此時后沿仍較窄，但前沿卻較寬，平均起來考慮，與正弦波二角波直接比較已基本相當(dāng)。(b)對稱規(guī)則采樣(c)不對稱規(guī)則采樣(d)平均對稱規(guī)則采樣12精選2021版課件SVPWM技術(shù)SVPWM技術(shù)特點(diǎn)：(1)SVPWM(空間矢量PWM)調(diào)制方法是將逆變器和電機(jī)視為一個整體，著眼于使電機(jī)獲得幅值恒定的旋轉(zhuǎn)磁場，把電機(jī)和控制器作為一個整體來考慮。(2)SVPWM使得電機(jī)脈動降低，電流波形畸變率小，而且與常規(guī)SPWM相比，直流電壓利用率有很大提高，并且易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。空間矢量的概念一個在空間按正弦分布,有一定旋轉(zhuǎn)速度的物理量都可以定義為空間矢量。三相定子繞組通以對稱的三相電流：電機(jī)物理模型三相合成磁勢：根據(jù)空間矢量概念，得出三相繞組的合成磁勢是一個以幅值角速度旋轉(zhuǎn)的空間矢量。13精選2021版課件取合成矢量的倍，定義磁勢矢量：由于磁勢的大小和電流成正比，所以電流矢量定義為：同理，定義三相電機(jī)的磁鏈?zhǔn)噶恳约半妷菏噶繛椋汉雎远ㄗ与娮?，磁鏈可以通過定子電壓的積分得到：為獲得電機(jī)的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，只需要控制三相定子電壓的合成矢量為圓形旋轉(zhuǎn)矢量即可。14精選2021版課件調(diào)制原理對于三相電壓型逆變器而言，電機(jī)的相電壓依賴于它所對應(yīng)的逆變器橋臂上下功率開關(guān)的狀態(tài)。當(dāng)逆變器采用雙極性調(diào)制時，上下橋臂的功率器件是互鎖的。三相橋式電壓型逆變器有8種工作狀態(tài)。電壓矢量定義：得到六個有效矢量和兩個零矢量用矢量表示這8種空間狀態(tài)，如圖所示：如果三相電壓為：則矢量就是以角頻率為按逆時針方向旋轉(zhuǎn)的空間矢量，反過來一個這樣的空間矢量在三相軸上的投影就是對稱的三相正弦量。最大電壓空間矢量軌跡15精選2021版課件依據(jù)平行四邊形法則，可以利用這八個基本矢量可以合成任意角度和模長的等效合成矢量。如果勻速發(fā)出一個圓周里均勻分布的等效合成矢量，也就得到了三相正弦量。一個周期里發(fā)出的合成矢量越多，說明采樣頻率越高。以扇區(qū)I為例,依據(jù)平行四邊形法則：

得到：當(dāng)不足時，插入零失量補(bǔ)足，一般：16精選2021版課件空間電壓矢量在線形區(qū)調(diào)制時的約束條件是：此約束條件決定了采用支流電壓為，采用SVPWM調(diào)制的逆變器提供的最大電壓：

逆變器輸出相電壓的極限峰值是SVPWM直流電壓利用率與SPWM比較：傳統(tǒng)SPWM最大相電壓峰值是，因此在同等直流電壓下，SVPWM的輸出最大電壓較常規(guī)SPWM高約，即SVPWM的調(diào)制度m可以達(dá)到。17精選2021版課件確定參考矢量所在扇區(qū):相鄰兩矢量作用時間的確定:確定比較器的切換點(diǎn):定義開關(guān)切換時間表:一般調(diào)制方法18精選2021版課件簡化算法HISPWM（諧波注入法）思想利用三相系統(tǒng)中線電壓具有自動消除相電壓3K次諧波的能力，人為地在三相調(diào)制基準(zhǔn)正弦撥中摻入一定的3K次諧波，從而實(shí)現(xiàn)降低調(diào)制波峰值，避免過調(diào)制的目的。HISPWM,SPWM和SVPWM聯(lián)系

在常規(guī)SPWM線性調(diào)制時，調(diào)制比m是不會大于1的。前面的分析表明，SVPWM的調(diào)制度可達(dá)到1.1547,且仍能保持線性調(diào)制，這與諧波注入法SPWM的線性調(diào)制范圍一樣，于是，可以推測SVPWM是加入了某種零序分量的調(diào)制方法。19精選2021版課件以扇區(qū)I為例:設(shè)三角波頻率足夠高,一個載波周期內(nèi)調(diào)制波的值為常數(shù),以三角波波谷時刻作采樣點(diǎn),由相似三角形得:由以上兩式可以得到三相調(diào)制波:在扇區(qū)I里,一個周期內(nèi)零序分量的表達(dá)式為:

由此可見電壓空間矢量調(diào)制SVPWM、對稱規(guī)則采樣SPWM、諧波注入法SPWM之間的內(nèi)在聯(lián)系，可以認(rèn)為空間矢量調(diào)制和在正弦調(diào)制波里加入零序分量Uz的規(guī)則采樣SPWM調(diào)制是等效的。加零序分量前的三相正弦調(diào)制波加零序分量后的三相調(diào)制波（1）（2）（3）20精選2021版課件ISGSVPWM采用(d)21精選2021版課件ISGMCU軟件實(shí)現(xiàn)第一步：如圖所示:

通過電流調(diào)節(jié)器輸出直軸和交軸參考電壓，通過Parke和Clarke逆變換得到三相電壓，根據(jù)式（2）取k=0.5得到三相調(diào)制波信號第二步：根據(jù)式（1）配置DSP比較寄存器，產(chǎn)生SVPWM

22精選2021版課件死區(qū)補(bǔ)償死區(qū)存在的必要性采用SVPWM的電壓源逆變器中，同一橋臂的上下兩個開關(guān)器件施加互補(bǔ)的驅(qū)動信號。由于功率器件的開通時間往往小于關(guān)斷時間，因此容易發(fā)生同橋臂兩只開關(guān)管同時導(dǎo)通的短路故障損壞器件。為了防止這種短路故障的發(fā)生，逆變器控制必須引入一段封鎖時間，此時上下橋臂均將驅(qū)動信號封鎖以保證

同橋臂上一只開關(guān)管可靠關(guān)斷后，另一只開關(guān)管可靠導(dǎo)通。死區(qū)時間的確定主要依賴于開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷時間來確定。死區(qū)補(bǔ)償?shù)谋匾?/p>

死區(qū)時間的存在使得實(shí)際輸出電壓和給定電壓之間存在偏差，引起負(fù)載相電流的畸變，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩也因此產(chǎn)生波動，甚至影響電機(jī)的穩(wěn)定性。因此需要對死區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償。23精選2021版課件SVPWM死區(qū)效應(yīng)分析死區(qū)效應(yīng)的影響主要體現(xiàn)在兩個方面,一個是電壓畸變,另一個是相電流的零電流箝位現(xiàn)象。死區(qū)的影響所造成的電壓畸變和電流的極性直接相關(guān)，而和電流的大小無關(guān)。以A相分析電流從逆變器流向負(fù)載定義為正，當(dāng)時，死區(qū)時間內(nèi)A相端電壓為0當(dāng)時，死區(qū)時間內(nèi)A相斷電壓為死區(qū)時間內(nèi)A相的端電壓將不受功率開關(guān)器件的控制，而取決于該相相電流的方向。利用平均電壓的概念，得到死區(qū)對A相端電壓的影響。24精選2021版課件零電流箝位右圖所示，電流的變化方向和電壓的變化方向恰好相反，這種相反的變化趨勢使得相電流在過零點(diǎn)處有保持原值的趨勢而形成平臺。25精選2021版課件補(bǔ)償原理設(shè)法產(chǎn)生一個和畸變電壓大小相同，方向相反的補(bǔ)償電壓來抵消或削弱畸變電壓的影響。電壓補(bǔ)償電壓反饋型：檢測每相的電壓值，需要增加硬件結(jié)構(gòu)電流反饋型：根據(jù)三相電流的方向，設(shè)定和畸變電壓矢量幅值相同，方向相反的誤差補(bǔ)償函數(shù)。在輸出電壓矢量的基礎(chǔ)上，加上此補(bǔ)償函數(shù)作為實(shí)際的電壓輸出指令以抵消死區(qū)的影響。26精選2021版課件電流方向的判斷(難點(diǎn))死區(qū)補(bǔ)償中需要對負(fù)載電流方向進(jìn)行檢測，但是電機(jī)系統(tǒng)中，由于PWM的開關(guān)噪聲以及零電流箝位現(xiàn)象，使得電流過零點(diǎn)的檢測極為困難。27精選2021版課件SVPWM的過調(diào)制策略采用SVPWM技術(shù)，三相電壓型逆變器在線形調(diào)制區(qū)輸出電壓基波矢量最大幅值為，采用過調(diào)制技術(shù)，輸出電壓基波